Oversikt. Avansert CMOS. INF3400 Del Skalering Transistorskalering Interconnect -skalering Teknologi roadmap

Transkript

1 Avansert CMOS INF3400 Del 15 Øivind NæssN INF3400 Del /30 Oversikt 4.9 Skalering Transistorskalering Interconnect -skalering Teknologi roadmap Design-påvirkninger I-V V karakteristikker Terskelspenning 6.3 Krets-problemer (pitfalls) Terskelfall Lekkasje Ladningsdeling Støy y i forsyningsspenningen Hot Spots Ladningsinjeksjon Back-gate Følsomhet F for inngangsstøy y i diffusjon Prosessfølsomhet Domino støyregnskap INF3400 Del /30

2 Innledning: Moores lov I 1965 forutså Gordon Moore den exponentielle veksten i antall transistorer påp en IC (brikke) Antall transistorer dobles hver 18. månedm Forutså >65000 transistorer innen 1975 Vekst begrenset av effektforbruk INF3400 Del /30 Mer Moore Antall transistorer er doblet hver 26. måned, m de tre siste tiårene 1,000,000,000 Transistors 100,000,000 10,000,000 1,000, , Intel386 Intel486 Pentium 4 Pentium III Pentium II Pentium Pro Pentium ,000 1, Year Dette vil sannsynligvis fortsette hvertfall enda et tiår INF3400 Del /30

3 Hastighetsøkning Klokkefrekvensene har også økt eksponentielt Et resultat av Moores lov 10,000 1, Clock Speed (MHz) Intel386 Intel486 Pentium Pentium Pro/II/III Pentium Year INF3400 Del /30 Hvorfor? Hvorfor flere transistorer per IC Mindre transistor-st størrelser Større brikker (dice( dice) Hvorfor raskere datamaskiner? Mindre, raskere transistorer Bedre mikroarkitekturer (mer IPC) Lavere port-forsinkelse per sykel INF3400 Del /30

4 4.9 Skalering, s245 Den eneste konstanten i VLSI er konstant forrandring Enhets-st størrelsene reduseres med 30% hvert 2-32 år Transistorer blir billigere Transistorer blir raskere Ledningene forbedrer seg ikke (og kan bli tregere ) Skaleringsfaktor S 10 Typisk S = Teknologi-noder noder 3 Feature Size (μm) Year INF3400 Del /30 Antagelser rundt skalering Hva endrer seg mellom teknologi-nodene nodene? Konstant felt skalering [Dennard74] Alle dimensjonene skaleres (x, y, z => W, L, t ox ) Spenning (V( dd ) Doping Lateral skalering Bare gate-lengden lengden, L, skaleres Gjøres ofte som en rask gate- krymping krymping (S=1.05) INF3400 Del /30

5 MOS transistor-skalering skalering INF3400 Del /30 Merknader gate-kapasitans per μm m er nesten uavhengig av prosessen siden både b L, W og t ox skaleres likt PÅ Å -motstanden forbedres med prosessen Portene blir raskere ved nedskalering Dynamisk effekt reduseres ved nedskalering Strøm-tetthet tetthet øker ved nedskalering Lateral skalering tar ikke høyde h for hastighetsmetning INF3400 Del /30

6 Skaleringsantagelser for ledninger Tykkelse påp ledninger Konstant vs. redusere tykkelsen Lengden påp ledninger Lokal/skalert interkonnekt Forsinkelsen avtar eller er konstant i nyere prosesser Global interkonnekt Brikke- (die-)) størrelsen skaleres med D C 1.1 Øker i nyere prosesser siden brikke-st størrelsen øker INF3400 Del /30 Skalering av interkonnekt INF3400 Del /30

7 Forsinkelse i interkonnekt INF3400 Del /30 Merknader mht. skalering av interkonnekt Kapasitans per μm m er konstant Rundt 0.2fF/μm Omtrent 1/10 av port-kapasitansen Lokal ruting blir raskere Følger ikke helt forbedringen til transistorene Ikke et stort problem Global ruting blir tregere Ikke lenger mulig å krysse en chip i løpet l av en klokkesykel INF3400 Del /30

8 Teknologi «Roadmap» (International Technology Roadmap for Semiconductors (ITRS)) Halvlederindustriens (SIAs( SIAs) ) antagelser for veien videre mht. nedskalering i teknologien INF3400 Del /30 Skaleringsimplikasjoner Forbedret ytelse Lavere kostnader Utfordringer mht. Interkonnekt Utfordringer mht. Effektforbruk Fysiske begrensninger INF3400 Del /30

9 Lavere kostnader I 2003 kostet transistorer under 1kr. Moores low gjelder fortsatt INF3400 Del /30 Utfordringer mht. interkonnekt SIA kom i 1997 med dårlige d nyheter Forsinkelser ville nån minimum ved nm prosesser, deretter bli større pga. ledningene Men... Transistor-forsinkelse uten last Global ruting Kopper-prosess prosess Større systemer burde deles opp i mindre deler påp rundt porter INF3400 Del /30

10 Dynamisk effektforbruk Patrick Gelsinger,, VP Intel Corp., (ISSCC 2001): Hvis nedskaleringen fortsetter slik som i dag, vil man i 2005 for høyhastighets-prosessorer ha en effekt-tetthet tetthet tilsvarende en atom-reaktor reaktor,, i 2010 lik en romrakett og i 2015 som overflaten til solen Innen 2015 måm man finne nye metoder for å designe integrerte kretser Aksjekursen til Intel falt 8% neste dag Men fokus rundt effektforbruk ble viktig og er et stadig økende forskningsfelt INF3400 Del /30 Statisk effektforbruk V dd blir stadig lavere Reduserer dynamisk effektforbruk Beskytter tynt gate-oksid og korte kanaler Ikke noe poeng i å ha høy h V dd pga. hastighetsmetning V t må også bli lavere for å opprettholde ytelsen Men dette forårsaker rsaker en eksponentiell økning i lekasje når transistoren er AV Stor utfordring fremover Tidligere: Vdd=5V t =3V t Nå: V dd =3V Dynamic Static INF3400 Del /30

11 Fysiske begrensninger Vil Moores lov ta slutt Kan ikke konstruere transistorer mindre enn et atom Mange faktorer har blitt foreslått som årsak til slutten på nedskaleringen av CMOS Dynamisk effektforbruk Subterskel lekkasje, tunnelering Kort-kanal effekter Prosesserings-kostnader Elektronmigrasjon Forsinkelse i interkonnekt Dommedagsrykter har forøvrig ofte blitt overdrevet INF3400 Del / Modellering/simulering s293 I-V V karakteristikker INF3400 Del /30

12 I-V V karakteristikker. INF3400 Del /30 Terskelspenning. INF3400 Del /30

13 6.3 Circuit pitfalls,, s.351 Terskelfall Krets: Symptom 2:1 multiplexer Mux en fungerer når D er 0 men ikke når D er 1. S Eller fungerer ikke ved D0 X Y D1 lav V DD. Eller feiler i SFSF S hjørnet rnet. Prinsipp: terskelfall X kommer aldri over V DD -V t V t øker pga body effect Terkselfallet blir mer alvorlig når forholdet mellom V t og V DD blir mindre. Løsning: bruk transmisjonsporter og ikke pass-transistorer INF3400 Del /30 Nivåfeil Krets Pseudo-nMOS OR A B X Y Symptomer Når bare en av inngangene er 1, Y = 0. Forekommer muligens bare i SF hjørnet rnet. Prinsipp: Nivåfeil nmos og pmos sloss mot hverandre. Hvis pmosen er for sterk vil nmosen ikke trekke X lavt nok. Løsning: Sjekk at forholdet er riktig i alle hjørner INF3400 Del /30

14 Nivåfeil (2) Krets Latch D φ φ X weak Q Symptomer: Q låst til 1. Kan kun forekomme i enkelte latcher hvor inngangen drives av en port langt unna. Prinsipp: Nivåfeil φ Serie-motstand til D, lednings- D Q motstanden, og transmisjonsporten må være sterrkere enn den svake stronger feedback-inverteren inverteren. φ weak Løsning: sjekk relative styrker Unngå ubuffrede diffusjons-innganger innganger hvor det er uklart hvordan de drives INF3400 Del /30 Ladningsdeling Krets Symptomer Domino AND gate Precharge porten mens φ A = B = 0, slik at Z = 0 Y Z A Sett φ = 1 X B A stiger Z viser seg å stige av og til Prinsipp: Ladningsdeling Hvis X var lav, deler den ladning med Y φ Y Løsning: Begrens ladningsdelingen Z A X C C Y Y V B C x = VY = VDD x C + C x Y Greit hvis C Y >> C X INF3400 Del /30

15 Støy y i forsyningsspenningen dd V dd og GND er ikke konstant over hele ICen Spenningsfall forekommer pga. motstand i forsyningslinjene di/dt dt støy y pga. induktanser i spenningsforsyningen og kretser som står r inaktive lenge for sås å begynne å switche Forårsaker rsaker ofte degradering av støymarginene og variasjon i forsinkelsene. INF3400 Del /30 Andre problemer Følsomhet for inngangsstøy y i diffusjon Kan f.eks heve inngangen over V t Kan slippe gjennom uønskede u signaler i transmisjonporter Prosessfølsomhet Hot spots Ikke-uniform effektforbruk skaper forskjellig temperatur påp forskjellige deler av brikken Injeksjon av minoritetsbærere rere Hot Carrier Injection INF3400 Del /30